Le virus de la grippe A (IAV) a été à l’origine de six pandémies grippales majeures, responsables de 50 à 100 millions de décès dans le monde. Aux États-Unis seulement, on estime que, malgré la mise à jour saisonnière des vaccins, les infections par l'IAV entraînent toujours entre 140 000 et 710 000 hospitalisations et entre 12 000 et 52 000 décès par an.
Le développement de traitements antiviraux contre l’IAV – ou d’approches de vaccination plus durables d’ailleurs – a été extrêmement difficile car l’IAV développe facilement une résistance contre eux en modifiant sa constitution génétique. À ce jour, sa capacité à « muter », à réorganiser son information génétique ou même à la recombiner avec celle d’autres virus IAV infectant la même cellule a constitué un défi insurmontable pour les développeurs de médicaments et présente un risque constant d’émergence de nouvelles souches pandémiques.
La recherche d'une arme efficace contre la constitution génétique en constante évolution de l'IAV a été entravée par l'absence d'un humain approprié. in vitro modèle pour tester de nouveaux traitements. Ce défi est aggravé par le fait que les modèles animaux d’infection par l’IAV ne parviennent pas à reproduire avec précision les réponses immunitaires humaines et que l’administration de médicaments dans les tissus pulmonaires humains s’effectue dans des conditions différentes de celles des animaux. De nouvelles approches basées sur la technologie d'édition génétique CRISPR sont à l'étude, mais les séquences ciblées sont si spécifiques à l'homme que les études ne peuvent pas être menées de manière significative sur des modèles animaux.
Maintenant, une nouvelle étude collaborative du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard a relevé ces défis en exploitant simultanément un modèle microfluidique de puce d'alvéole pulmonaire humaine « respiratoire » (puce pulmonaire) d'infection par IAV développé dans le groupe du directeur fondateur Donald Ingber, MD, Ph.D., plates-formes d'administration de médicaments avancées par la directrice associée Natalie Artzi, Ph.D. et son groupe, ainsi que la technologie CRISPR de pointe. L'équipe y est parvenue en concevant un mécanisme CRISPR ciblant une séquence fortement conservée dans le génome de l'IAV, en l'emballant dans de minuscules nanoparticules ayant une affinité avec les cellules épithéliales du poumon et en délivrant les particules chargées aux cellules épithéliales du poumon tapissant un canal microfluidique dans la puce pulmonaire infectée par un IAV pandémique. En conséquence, la charge virale dans les tissus modifiés a été réduite de plus de 50 % après une seule administration du traitement, et la réponse inflammatoire de l’hôte provoquée par le virus a été considérablement atténuée. Il est important de noter que seuls des effets minimes hors cible, révélés par l’analyse transcriptomique, se sont produits dans le système. Ainsi, ce modèle de puce d'organe qui imite mieux l'infection humaine par l'IAV que d'autres modèles précliniques permet d'évaluer l'efficacité et la sécurité des thérapies à ARN CRISPR d'une manière plus pertinente sur le plan clinique que les approches antérieures. Les résultats sont publiés dans Laboratoire sur puce.
Nos résultats démontrent que le modèle de puce pulmonaire humaine de l'infection par l'IAV est un banc d'essai préclinique très précieux pour les thérapies à base d'ARN CRISPR qui agissent largement sur toutes les souches de virus, car il rend non seulement compte de leur efficacité d'une manière pertinente pour l'homme, mais, surtout, permet également d'évaluer leurs effets potentiels hors cible, que nous trouvons jusqu'à présent minimes. Étant donné la forte probabilité de futures pandémies et de variations saisonnières naturelles de l'IAV, de tels traitements antiviraux pan-IAV pourraient nous aider à devancer le virus et, potentiellement, à sauver des milliers de vies. »
Donald Ingber, MD, Ph.D.
Ingber est aussi le Professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et au Boston Children's Hospital, et au Professeur Hansjörg Wyss d'ingénierie d'inspiration biologique chez SEAS.
Quand CRISPR rencontre les puces d’organes
Jusqu'à présent, les efforts visant à développer des traitements antiviraux contre l'IAV se sont fortement appuyés sur des modèles animaux tels que des souris, des hamsters et des furets qui peuvent être infectés expérimentalement par des souches d'IAV, qu'il s'agisse d'isolats humains adaptés en laboratoire ou cliniquement pertinents, et développer des symptômes pseudo-grippaux. Cependant, ils présentent de multiples défauts : ils diffèrent des humains par leur anatomie, leur physiologie et leur conception génétique, ce qui pourrait également affecter l’efficacité avec laquelle le virus pénètre dans les cellules pulmonaires et s’y réplique. Il est important de noter que leur système immunitaire fonctionne également différemment de celui des humains sur des aspects importants ; et l'administration de médicaments dans leurs tissus pulmonaires a des exigences différentes de celles de l'administration de médicaments dans les tissus pulmonaires humains.
Pour surmonter ces limitations, le groupe d'Ingber, avec le soutien du National Center for Advancing Translational Sciences des National Institutes of Health (NIH), a lancé en 2017 un projet de puce d'organe humain financé par le NIH pour modéliser plus précisément l'infection humaine par l'IAV. L’équipe s’est appuyée sur la plateforme Organ Chip du Wyss Institute, avancée avec le soutien de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Développée dans le cadre de cette plateforme, la puce pulmonaire humaine, qui imite les minuscules sacs aériens (alvéoles) du poumon qui permettent l'échange d'oxygène et de CO2 et sont également le site de l'infection par l'IAV, a permis à l'équipe en 2022 de modéliser une infection par l'IAV de type humain et de découvrir de nouveaux traitements qui modulent la réponse immunitaire de première intention (immunité innée) des hôtes infectés pour prévenir une inflammation pulmonaire potentiellement mortelle. Certains de ces produits thérapeutiques ont fait l’objet d’essais cliniques sur l’homme pour évaluer leurs effets chez les patients atteints de COVID-19.
Dans la puce pulmonaire, un épithélium alvéolaire primaire humain est créé dans l’un des deux canaux parallèles d’une puce microfluidique de la taille d’une clé USB, tandis que des cellules endothéliales vasculaires pulmonaires humaines sont cultivées dans l’autre canal pour imiter un vaisseau sanguin de soutien. Les deux canaux sont séparés par une fine membrane poreuse pour permettre le libre échange de molécules et de gaz, comme cela se produit dans les alvéoles du poumon humain. En faisant circuler le milieu de culture à travers le « canal vasculaire », les chercheurs peuvent simuler le flux sanguin naturel dans les alvéoles ; et en faisant circuler l'air à travers le « canal épithélial » et en étirant et en relaxant de manière cyclique le tissu modifié en pressurisant et en dépressurisant deux chambres latérales creuses flanquant les deux canaux, les chercheurs peuvent imiter « l'interphase air-liquide » respiratoire du poumon. Pour créer une base de référence pour leur nouvelle étude, ils ont utilisé ce système et ajouté des particules de virus IAV de différentes souches, y compris la souche pandémique H3N2, qui a provoqué une pandémie mondiale de grippe avec 1 million de décès en 1968, par le canal épithélial. Cela reproduisait fidèlement bon nombre des subtilités de l’infection par l’IAV, notamment l’entrée et la réplication du virus dans les cellules pulmonaires, la libération de nouveaux virus et les réponses inflammatoires et immunitaires déclenchées par l’infection.
Cependant, la nouvelle étude a poussé la plateforme beaucoup plus loin en démontrant qu'elle a une valeur sans précédent en tant qu'outil préclinique efficace pour développer une nouvelle classe de médicaments antiviraux utilisant la technologie CRISPR, qui cible des séquences génétiques hautement spécifiques à une espèce. Le système d'édition génétique avait déjà été exploré comme plate-forme antivirale contre l'IAV, mais principalement dans des cultures en boîtes et des modèles animaux. Jusqu’à présent, des défis translationnels importants tels que la délivrance de CRISPR spécifique aux tissus humains et les effets potentiels hors cible de la machinerie CRISPR ciblant les virus sur l’expression génique des cellules pulmonaires humaines n’ont pas pu être étudiés jusqu’à présent.
Les membres de l'équipe d'Ingber, dont Yuncheng Man, Ph.D., premier auteur et chercheur postdoctoral dans le laboratoire d'Ingber au Boston Children's Hospital, ont conçu une version de la machinerie CRISPR qui utilise deux ARN CRISPR (ARNc) ciblant deux régions invariables du gène dit polymérase basic 1 (PB1) de l'IAV, qui, selon eux, sont conservés dans la grande majorité des IAV. virus qui infectent les humains. Lorsque les chercheurs ont introduit les crRNA ainsi qu’une molécule d’ARNm codant pour l’enzyme Cas13 destructrice d’ARN, les crRNA ont guidé Cas13 vers la séquence cible PB1 de différents IAV avec lesquels ils ont utilisé pour infecter les cellules pulmonaires en culture. Cela a entraîné une réduction de plus de 80 % des niveaux d’ARN PB1.
CRISPR : signé, scellé et livré
Pour étudier les effets thérapeutiques de leur thérapie pan-IAV CRISPR, l’équipe a dû la conditionner en particules pour la protéger d’une dégradation non spécifique et lui permettre d’être administrée plus efficacement aux cellules épithéliales pulmonaires de la puce pulmonaire. « Trouver le bon type de particule qui permet un conditionnement efficace des molécules d'ARN thérapeutiques et leur internalisation par le tissu alvéolaire pulmonaire humain est un défi en soi », a déclaré Man.
Parmi les autres auteurs de l'étude figuraient Ryan Posey, Haiquing Bai, Amanda Jiang, Pere Dosta, Diana Ocampo-Alvarado, Robert Plebani, Jie Ji et Chaitra Belgur. L'étude a été soutenue par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) dans le cadre de l'accord de coopération HR0011-22-2-0017 et par le Wyss Institute de l'Université Harvard.
